DE102019133816A1 - Pressure sensor for determining a relative pressure variable - Google Patents

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Anh Tuan Tham
Patrick Doria
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Abstract

Drucksensor (1) zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfassend:- ein Relativdruckmesswandler (20) mit einer ersten Messmembran (21) und einer ersten Schaltung (22) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran (21) in die Relativdruckgröße,- einen Absolutdruckmesswandler (70) zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,- einen Druckmittler (30) mit einem Druckmittlerkörper (31a, 31b, 31c) in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllte Druckkammer (32) befindet, in der ein Füllkörper (33) mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer (32) und den in den Aussparungen angeordneten Relativdruckmesswandler (20) und Absolutdruckmesswandler (70) auszufüllen;- eine Signalverarbeitungseinheit (80), die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen.Pressure sensor (1) for determining a relative pressure variable, comprising: - a relative pressure transducer (20) with a first measuring membrane (21) and a first circuit (22) for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane (21) into the relative pressure variable, - an absolute pressure transducer ( 70) for determining an absolute pressure variable, - a diaphragm seal (30) with a diaphragm seal body (31a, 31b, 31c) in which there is a pressure chamber (32) filled with a transmission fluid (39) and in which a filling body (33) with two recesses is arranged to fill cavities between the walls of the pressure chamber (32) and the relative pressure transducer (20) and absolute pressure transducer (70) arranged in the recesses; the ambient pressure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße.The invention relates to a pressure sensor for determining a relative pressure variable.

Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Je nach Anwendung kommen Differenzdrucksensoren oder Relativdrucksensoren zum Einsatz.Pressure sensors are used to record pressures and are used in industrial measurement technology. Depending on the application, differential pressure sensors or relative pressure sensors are used.

Relativdrucksensoren dienen dazu, einen zu messenden von außen auf eine Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. den Atmosphärendruck, zu messen. Sie werden insb. in der industriellen Messtechnik zur Messung von Relativdrücken eingesetzt.Relative pressure sensors are used to measure a pressure that is to be measured from the outside on a measuring membrane in relation to a reference pressure supplied to the pressure chamber, e.g. atmospheric pressure. They are used in particular in industrial metrology to measure relative pressures.

In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Druckmesswandler, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Entsprechende Druckmesswandler weisen typischer Weise eine Messmembran auf, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Relativdruck entspricht. Halbleiter-Druckmesswandler sind für gewöhnlich sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.In pressure measurement technology, so-called semiconductor pressure transducers, e.g. silicon chips with doped resistance elements, are often used as pressure-sensitive elements. Corresponding pressure transducers typically have a measuring membrane, one side of which is exposed to a first pressure and the second side of which is subjected to a second pressure during measuring operation. The acting pressures cause a resulting deflection of the measuring membrane, which corresponds to the relative pressure to be measured. Semiconductor pressure transducers are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose pressure is to be recorded. Instead, diaphragm seals filled with a transmission fluid are connected upstream.

Druckmittler weisen hierzu regelmäßig einen massiven, typischerweise mehrteiligen Druckmittlerkörper auf, auf dem außenseitlich zumindest eine Trennmembrane angeordnet ist. Dabei schließt die Trennmembrane eine erste Druckempfangskammer ab, die über einen ersten hydraulischen Pfad mit einer Druckkammer verbunden ist, in die der Relativdruckmesswandler derartig angeordnet ist, dass einer ersten Seite der Messmembrane, der an dieser Trennmembran anliegende Druck zugeführt ist. Der zweiten Seite der Messmembran ist ein zweiter Druck, beispielsweise über eine Kapillare, zugeführt. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Relativdruckmesswandler die Relativdruckgröße bestimmen.For this purpose, diaphragm seals regularly have a massive, typically multi-part diaphragm seal body on which at least one separating membrane is arranged on the outside. The separating membrane closes off a first pressure receiving chamber which is connected via a first hydraulic path to a pressure chamber in which the relative pressure transducer is arranged in such a way that the pressure applied to this separating membrane is fed to a first side of the measuring membrane. A second pressure is applied to the second side of the measuring membrane, for example via a capillary. The relative pressure transducer can thus determine the relative pressure variable on the basis of the two pressures supplied.

Druckmittler werden für gewöhnlich in Automatisierungsanlagen in der industriellen Messtechnik zum Ausführen bzw. Steuern eines Prozesses eingesetzt, kommen aber auch in anderen Bereichen zum Einsatz, bspw. in einem Schiff oder einem Flugzeug. Hier werden die Drucksensoren für die Drucküberwachung von z.B. Behältern für Gase und Flüssigkeiten wie z.B. Sauerstoff oder Wasser, Öle, Kraftstoff usw. eingesetzt.Diaphragm seals are usually used in automation systems in industrial measurement technology to carry out or control a process, but are also used in other areas, for example in a ship or an airplane. Here the pressure sensors are used to monitor the pressure of, for example, containers for gases and liquids such as oxygen or water, oils, fuel, etc.

In derartigen Anlagen aber auch in Schiffen und Flugzeugen kann es zu ungewollten bzw. unerwünschten Änderungen des Raumdruckes in der Umgebung des Einbauorts des Druckmittlers kommen, die die Sicherheit des Prozesses und/oder der Menschen Vorort gefährden können.In systems of this type, but also in ships and aircraft, there can be unwanted or undesired changes in the room pressure in the vicinity of the installation location of the diaphragm seal, which can endanger the safety of the process and / or the people on site.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor vorzuschlagen, der auf einfache Art und Weise ungewollte bzw. unerwünschte Raumdruckänderungen erfassen kann.It is therefore an object of the invention to propose a pressure sensor which can detect unwanted or undesired changes in room pressure in a simple manner.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1.The object is achieved according to the invention by the pressure sensor according to claim 1.

Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfasst:

  • - ein Relativdruckmesswandler mit einer ersten Messmembran und einer ersten Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in die Relativdruckgröße,
  • - einen Absolutdruckmesswandler zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,
  • - einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckkammer befindet, in der ein Füllkörper mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den in den Aussparungen angeordneten Relativdruckmesswandler und Absolutdruckmesswandler auszufüllen, wobei sich ein erster druckkommunizierender Pfad zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die erste Öffnung mit einer Trennmembrane verschlossen ist, die mit einem ersten Druck eines Mediums beaufschlagbar ist, um den ersten Druck in den ersten Pfad einzuleiten, wobei der erste Pfad mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und an einer der zweiten Öffnungen in der Druckkammer mündet, so dass die durch den Absolutdruckmesswandler ermittelte Absolutdruckgröße den ersten Druck repräsentiert und ferner der Relativdruckmesswandler auf einer ersten Messmembranseite der ersten Messmembran mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, wobei eine zweite Messmembranseite der ersten Messmembran über einen zweiten druckkommunizierenden Pfad mit einem Umgebungsdruck beaufschlagt ist, so dass die Verformung der ersten Messmembran die Relativdruckgröße zwischen dem ersten Druck und dem Umgebungsdruck repräsentiert;
  • - eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen.
The pressure sensor according to the invention for determining a relative pressure variable comprises:
  • - A relative pressure transducer with a first measuring membrane and a first circuit for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into the relative pressure variable,
  • - an absolute pressure transducer for determining an absolute pressure variable,
  • - A diaphragm seal with a diaphragm seal body in which there is a pressure chamber filled with a transmission fluid, in which a filling body with two recesses is arranged to fill cavities between the walls of the pressure chamber and the relative pressure transducer and absolute pressure transducer arranged in the recesses, with a first pressure-communicating path between a first opening and a second opening through the pressure transmitter body, the first opening being closed with a separating membrane to which a first pressure of a medium can be applied in order to introduce the first pressure into the first path, the first path containing the transmission fluid is filled and opens at one of the second openings in the pressure chamber, so that the absolute pressure variable determined by the absolute pressure transducer represents the first pressure and furthermore the relative pressure transducer on a first measuring membrane side of the first measuring membrane with de The first pressure is applied, a second measuring membrane side of the first measuring membrane being acted upon by an ambient pressure via a second pressure-communicating path, so that the deformation of the first measuring membrane represents the relative pressure variable between the first pressure and the ambient pressure;
  • - a signal processing unit which is set up to determine an undesired change in the ambient pressure on the basis of the absolute pressure variable and the relative pressure variable.

Erfindungsgemäß wird ein Drucksensor vorgeschlagen, der neben dem Relativdruckmesswandler, der einen Prozessdruck gegenüber einem Umgebungsdruck misst, auch einen Absolutdruckmesswandler, der nur den Prozessdruck misst, umfasst, umso eine ungewollte Raumdruckänderung, bspw. bei einer Verpuffung, einen Druckabfall eines Laderaums eines Flugzeuges oder einer Überschwemmung eines Schiffsraumes festzustellen bzw. zu detektieren.According to the invention, a pressure sensor is proposed which, in addition to the relative pressure transducer, which measures a process pressure in relation to an ambient pressure, also includes an absolute pressure transducer, which measures only the process pressure, all the more so an undesired change in room pressure, for example in the event of a deflagration, a pressure drop in the hold of an aircraft or a To determine or detect flooding of a ship's hold.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, sich nur die durch den Relativdruckmesswandler erfasste Relativdruckgröße verändert, wohingegen die durch den Absolutdruckmesswandler erfasste Absolutdruckgröße des Prozessdruckes gleichbleibend ist. Somit kann eine Signalverarbeitungseinheit anhand der beiden Druckgrößen feststellen, ob eine ungewollte oder sogar gefährliche Änderung des Raumdruckes stattfindet.The invention is based on the consideration that when the ambient pressure changes, only the relative pressure variable detected by the relative pressure transducer changes, whereas the absolute pressure variable of the process pressure detected by the absolute pressure transducer is constant. Thus, a signal processing unit can use the two pressure variables to determine whether there is an undesired or even dangerous change in the room pressure.

Hierzu kann die Signalverarbeitungseinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist: Prel = α Pabs

Figure DE102019133816A1_0001
wobei Prel die Relativdruckgröße des Relativdruckmesswandlers, Pabs die Absolutdruckgröße des Absolutdruckmesswandlers und α ein Anpassungs- oder Kalibrierungskoeffizient darstellen.For this purpose, the signal processing unit can be set up, for example, to continuously check whether the following equation is met: Prel = α Pabs
Figure DE102019133816A1_0001
where Prel is the relative pressure variable of the relative pressure transducer, Pabs the absolute pressure variable of the absolute pressure transducer and α represents an adaptation or calibration coefficient.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Umgebungsdrucks (p2) festzustellen, wenn | P 2 Prd Prd | > n L [ % ] , n N

Figure DE102019133816A1_0002
wobei Prd ein der Signalverarbeitungseinheit zugänglich gemachter, bspw. abgespeicherter, ortsüblicher Raumdruck ist und L[%] eine Änderung des ortsüblichen Luftdrucks über die Jahreszeiten, Wetterstand, Temperatur usw.. in Prozent, wobei im Normalbetrieb vorzugsweise gilt, dass P2 = Prd.An advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the signal processing unit is also set up to detect a change in the ambient pressure ( p2 ) determine if | P. 2 - Prd Prd | > n L. [ % ] , n N
Figure DE102019133816A1_0002
where Prd is a, for example, stored, customary room pressure made accessible to the signal processing unit and L [%] is a change in the customary local air pressure over the seasons, weather conditions, temperature, etc. in percent, whereby in normal operation it preferably applies that P2 = Prd.

L[%] kann beispielsweise ca. 0,5% bei einem ortsüblichen Raumdruck von 1013 hPa (ca. 1 bar) und einer maximalen Änderung von ca. 5h Pa durch die Jahreszeiten und/oder Wetterbedingungen sein.L [%] can, for example, be approx. 0.5% at a customary room pressure of 1013 hPa (approx. 1 bar) and a maximum change of approx. 5h Pa due to the seasons and / or weather conditions.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler eine zweite Messmembran aufweist, der an einer ersten Membranseite ebenfalls der erste Druck zugeführt ist und der an einer zweiten Membranseite ein Vakuum anliegt, wobei der Absolutdruckmesswandler ferner eine zweite Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der zweiten Messmembran in eine der Signalverarbeitungseinheit zugeführt Absolutdruckgröße aufweist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer has a second measuring membrane to which the first pressure is also supplied on a first membrane side and to which a vacuum is applied on a second membrane side, the absolute pressure transducer also having a second circuit for converting a pressure-dependent one Has deformation of the second measuring membrane in one of the signal processing unit supplied absolute pressure variable.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler und/oder der Relativdruckmesswandler auf Halbleiter-Chips, insbesondere Silizium-Chips ausgebildet ist bzw. sind.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the embodiment provide that the absolute pressure transducer and / or the relative pressure transducer is or are formed on semiconductor chips, in particular silicon chips.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the embodiment provide that the absolute pressure transducer is formed on a separate semiconductor chip, in particular a silicon chip, to the relative pressure transducer. In particular, the embodiment can provide that the absolute pressure transducer is formed on a separate semiconductor chip, in particular a silicon chip, to the relative pressure transducer.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler ein kapazitiver Absolutdruckmesswandler ist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer is a capacitive absolute pressure transducer.

Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einer piezoelektrischen Schicht basiert.An alternative embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer is based on a piezoelectric layer.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße.
The invention is explained in more detail with reference to the following drawing. It shows:
  • 1 : a section through an embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a differential pressure variable.

1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1. Dieser umfasst einen Druckmittler 30 mit einem aus mehreren Teilen aufgebauten Druckmittlerkörper 31a, 31b, 31c und einen Relativdruckmesswandler 20 sowie einen Absolutdruckmesswandler 70. 1 shows a section through an embodiment of a pressure sensor according to the invention 1 . This includes a diaphragm seal 30th with a diaphragm seal body made up of several parts 31a , 31b , 31c and a relative pressure transducer 20th as well as an absolute pressure transducer 70 .

Die beiden Druckmesswandler sind aus einem Halbleitermaterial, insb. Silizium ausgebildet, und können insb. separat voneinander als jeweils eigenständige Sensorelemente ausgebildet sein.The two pressure transducers are made from a semiconductor material, in particular silicon, and can in particular be configured separately from one another as each independent sensor element.

Der Druckmittlerkörper 31a, 31b, 31c umfasst einen im Wesentlichen massiven Block 31a aus einem Metall, insbesondere aus einem Stahl oder Edelstahl, und einen Trägerkörper 31b der als Träger für die beiden Druckmeswandler 20, 70 dient. Der massive Block 31a weist auf einer Seitenfläche eine Trennmembran 37a auf. Die Trennmembran 37 schließt eine außenseitlich in den massiven Block integrierte Druckempfangskammer 38a ab. Im eigentlichen Messbetrieb wirkt auf die von dem massiven Block 31a abgewandte Seite der Trennmembrane 37a ein von einem Medium stammender Prozessdruck p1.The diaphragm seal body 31a , 31b , 31c comprises a substantially massive block 31a made of a metal, in particular made of a steel or stainless steel, and a carrier body 31b as a carrier for the two pressure transducers 20th , 70 serves. The massive block 31a has a separating membrane on one side surface 37a on. The separating membrane 37 closes a pressure receiving chamber which is integrated into the solid block on the outside 38a from. In the actual measuring operation, it acts on that of the massive block 31a remote side of the separating membrane 37a a process pressure originating from a medium p1 .

Der Prozessdruck p1 wird über einen ersten druckkommunizierenden Pfad 34a zu dem Relativdruckmesswandler 20 geführt. Hierzu ist der erste druckkommunizierende Pfad 34a mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt, sodass dieser im Folgenden auch als hydraulischer Pfade bezeichnet wird. Der erste hydraulische Pfad 34a erstreckt sich von einer ersten Öffnung 35a der Druckempfangskammer 38a durch den massiven Block 31a über ein Kapillarrohrsystem 31c zu einer zweiten Öffnung 36a. Über die zweite Öffnung 36a mündet der erste hydraulische Pfad 34a in einer in dem Trägerkörper 31b integrierten Druckkammer 32, die den Prozessdruck p1 einer Vorderseite 21a einer ersten Messmembran 21 des Relativdruckmesswandlers 20 zuführt. Sowohl die Druckkammer 32 als auch der erste hydraulische Pfad 34a sind zum Übertragen des entsprechenden Drucks mit einer Übertragungsflüssigkeit 39 gefüllt.The process pressure p1 is via a first pressure-communicating path 34a to the relative pressure transducer 20th guided. To this end, the first pressure-communicating path is 34a filled with a pressure transmission fluid, so that this is also referred to below as hydraulic paths. The first hydraulic path 34a extends from a first opening 35a the pressure receiving chamber 38a through the massive block 31a via a capillary tube system 31c to a second opening 36a . Via the second opening 36a the first hydraulic path opens 34a in one in the support body 31b integrated pressure chamber 32 that is the process pressure p1 a front 21a a first measuring membrane 21 of the relative pressure transducer 20th feeds. Both the pressure chamber 32 as well as the first hydraulic path 34a are for transmitting the corresponding pressure with a transmission fluid 39 filled.

Um das Volumen der Übertragungsflüssigkeit 39 in der Druckkammer 32 möglichst gering zu halten, weist der Drucksensor 1 ferner einen in die Druckkammer 32 eingebrachten Füllkörper 33 auf. Durch den Füllkörper 33 werden Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den Druckmesswandlern 20, 70, die jeweils in eine Aussparung des Füllkörpers 33 eingelassen sein können, ausgefüllt.To the volume of the transmission fluid 39 in the pressure chamber 32 to keep it as low as possible, the pressure sensor 1 also one in the pressure chamber 32 introduced packing 33 on. Through the packing 33 there are cavities between the walls of the pressure chamber and the pressure transducers 20th , 70 each in a recess of the packing 33 can be filled in.

Ein zweiter druckkommunizierender Pfad 34b erstreckt sich von einer weiteren zweiten Öffnung 36b in dem Trägerkörper 31 b über ein Kapillarrohrsystem 31c durch den massiven Block zu einer weiteren ersten Öffnung 35b. Die weitere zweite Öffnung 36b ist dabei derartig in dem Trägerkörper 31b vorgesehen, dass ein über den zweiten druckkommunizierenden Pfad 34b übertragene zweite Druck p2 einer Rückseite 21b der ersten Messmembran 21 des Differenzdruckmesswandlers 20 zugeführt ist. Das Kapillarrohrsystem 31c ist derartig ausgebildet, dass es mit der weiteren ersten Öffnung 35b in einer Umgebung einer Messstelle, in die der Druckmittler zum Steuern/Überwachen eines Prozesses eingebaut ist, mündet, sodass dem Drucksensor als zweiter Druck ein Umgebungsdruck p2 zugeführt wird.A second pressure communicating path 34b extends from a further second opening 36b in the support body 31 b via a capillary tube system 31c through the massive block to another first opening 35b . The other second opening 36b is such in the support body 31b provided that one via the second pressure-communicating path 34b transmitted second pressure p2 a back 21b the first measuring membrane 21 of the differential pressure transducer 20th is fed. The capillary tube system 31c is designed such that it is connected to the further first opening 35b in the vicinity of a measuring point in which the diaphragm seal for controlling / monitoring a process is installed, so that the pressure sensor is an ambient pressure as the second pressure p2 is fed.

Durch den an der Vorderseite 21a der ersten Messmembran 21 anliegenden Prozessdruck p1 und den an der Rückseite 21b der ersten Messmembran 21 anliegenden Umgebungsdruck p2 erfährt die erste Messmembran 21 eine druckabhängige Auslenkung. Die druckabhängige Auslenkung kann wiederum beispielsweise durch in der ersten Messmembran 21 integrierte piezoresistive Elemente messtechnisch erfasst werden, so dass eine Relativdruckgröße durch eine erste Schaltung 22 zum Wandeln der druckabhängigen Auslenkung bestimmbar ist. Alternativ können statt der piezoresistiven Elemente auch kapazitive Elemente zum messtechnischen Erfassen der druckabhängigen Auslenkung eingesetzt werden.Through the one at the front 21a the first measuring membrane 21 applied process pressure p1 and the one at the back 21b the first measuring membrane 21 applied ambient pressure p2 experiences the first measuring membrane 21 a pressure-dependent deflection. The pressure-dependent deflection can in turn, for example, through in the first measuring membrane 21 integrated piezoresistive elements are recorded by measuring technology, so that a relative pressure variable is determined by a first circuit 22nd can be determined for converting the pressure-dependent deflection. Alternatively, instead of the piezoresistive elements, capacitive elements can also be used to measure the pressure-dependent deflection.

Über die Druckkammer 32 wird ferner der Prozessdruck p1 auch an eine Vorderseite 71a einer zweiten Messmembran 71 des Absolutdruckmesswandlers geführt. An einer Rückseite der zweiten Messmembran grenzt eine Druckkammer (Vakuumkammer) an, die durch die zweite Messkammer abgeschlossen wird, so dass die zweite Messmembran eine vom Prozessdruck p1 abhängige Auslenkung erfährt, welche wiederum messtechnisch durch eine zweite Schaltung 72 erfasst werden kann, um eine Absolutdruckmessgröße zu bestimmen. Der Absolutdruckmesswandler misst somit nur den Prozessdruck (unabhängig von dem Umgebungsdruck).About the pressure chamber 32 is also the process pressure p1 also on a front 71a a second measuring membrane 71 of the absolute pressure transducer. A pressure chamber (vacuum chamber) adjoins a rear side of the second measuring membrane, which is closed by the second measuring chamber so that the second measuring membrane is exposed to the process pressure p1 dependent deflection, which in turn is measured by a second circuit 72 can be recorded in order to determine an absolute pressure measured variable. The absolute pressure transducer thus only measures the process pressure (regardless of the ambient pressure).

Der Drucksensor 1 weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit 80 auf, der die durch den jeweiligen Druckmesswandler erfassten Druckgröße (Prozessdruck und Umgebungsdruck) zugeführt ist. Die Signalverarbeitungseinheit 80 kann beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen. Die Druckgrößen können über elektrische Leitungen 81 von der ersten und zweiten elektrischen Schaltung zu der Signalverarbeitungseinheit 80 geführt sein.The pressure sensor 1 further comprises a signal processing unit 80 to which the pressure variable (process pressure and ambient pressure) recorded by the respective pressure transducer is supplied. The signal processing unit 80 can for example comprise a microprocessor. The pressure sizes can be via electrical lines 81 from the first and second electrical circuits to the signal processing unit 80 be led.

Die Signalverarbeitungseinheit 80 ist dazu eingerichtet, eine Änderung des Umgebungsdrucks p2 anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße festzustellen.The signal processing unit 80 is set up for a change in the ambient pressure p2 to be determined on the basis of the absolute pressure size and the relative pressure size.

Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist: Prel = α Pabs

Figure DE102019133816A1_0003
wobei Prel die Relativdruckgröße des Relativdruckmesswandlers, Pabs die Absolutdruckgröße des Absolutdruckmesswandlers und α ein Anpassungs- oder Kalibrierungskoeffizient darstellen.For example, the signal processing unit can be set up to continuously check whether the following equation is met: Prel = α Pabs
Figure DE102019133816A1_0003
where Prel is the relative pressure variable of the relative pressure transducer, Pabs the absolute pressure variable of the absolute pressure transducer and α represents an adaptation or calibration coefficient.

Die Signalverarbeitungseinheit 80 kann ferner dazu eingerichtet sein, eine Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen, wenn gilt: | P 2 Prd Prd | > n L [ % ] , n N

Figure DE102019133816A1_0004
wobei Prd ein der Signalverarbeitungseinheit zugänglich gemachter, bspw. abgespeicherter, ortsüblicher Raumdruck ist und L[%] eine Änderung des ortsüblichen Luftdrucks über die Jahreszeiten, Wetterstand, Temperatur usw.. in Prozent, wobei im Normalbetrieb vorzugsweise gilt, dass P2 = Prd.The signal processing unit 80 can also be set up to detect a change in the ambient pressure if: | P. 2 - Prd Prd | > n L. [ % ] , n N
Figure DE102019133816A1_0004
where Prd is a, for example, stored, customary room pressure made accessible to the signal processing unit and L [%] is a change in the customary local air pressure over the seasons, weather conditions, temperature, etc. in percent, whereby in normal operation it preferably applies that P2 = Prd.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
DrucksensorPressure sensor
2020th
RelativdruckmesswandlerRelative pressure transducer
2121
Erste MessmembranFirst measuring membrane
21a21a
Erste Seite der ersten MessmembranFirst side of the first measuring membrane
21b21b
Zweite Seite der ersten MessmembranSecond side of the first measuring membrane
2222nd
Erste Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in eine Differenz- oder RelativdruckgrößeFirst circuit for converting the pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into a differential or relative pressure variable
3030th
DruckmittlerDiaphragm seal
31a31a
Massiver Block des DruckmittlerkörpersMassive block of the diaphragm seal body
31b31b
TrägerkörperCarrier body
31c31c
KapillarrohrsystemCapillary tube system
3232
DruckkammerPressure chamber
3333
FüllkörperPacking
34a34a
Erster druckkommunizierender bzw. hydraulischer PfadFirst pressure-communicating or hydraulic path
34b34b
Zweiter druckkommunizierender PfadSecond pressure communicating path
35a, 35b35a, 35b
Erste ÖffnungFirst opening
36a, 36b36a, 36b
Zweite ÖffnungSecond opening
37a37a
TrennmembraneSeparating membrane
38a38a
DruckempfangskammerPressure receiving chamber
3939
DruckübertragungsflüssigkeitPressure transmission fluid
7070
AbsolutdruckmesswandlerAbsolute pressure transducer
7171
Zweite MessmembranSecond measuring membrane
71a71a
Erste Seite der zweiten MessmembranFirst side of the second measuring membrane
71b71b
Zweite Seite der zweiten MessmembranSecond side of the second measuring membrane
7272
Zweite Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der Messmembran in eine AbsolutdruckgrößeSecond circuit for converting the pressure-dependent deformation of the measuring membrane into an absolute pressure variable
8080
SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
8181
Elektrische LeitungenElectric lines
p1p1
ProzessdruckProcess pressure
p2p2
UmgebungsdruckAmbient pressure

Claims (7)

Drucksensor (1) zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfassend: - ein Relativdruckmesswandler (20) mit einer ersten Messmembran (21) und einer ersten Schaltung (22) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran (21) in die Relativdruckgröße, - einen Absolutdruckmesswandler (70) zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße, - einen Druckmittler (30) mit einem Druckmittlerkörper (31 a, 31b, 31c) in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllte Druckkammer (32) befindet, in der ein Füllkörper (33) mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer (32) und den in den Aussparungen angeordneten Relativdruckmesswandler (20) und Absolutdruckmesswandler (70) auszufüllen, wobei sich ein erster druckkommunizierender Pfad (34a) zwischen einer ersten Öffnung (35a) und einer zweiten Öffnung (36a) durch den Druckmittlerkörper (31) erstreckt, wobei die erste Öffnung (35a) mit einer Trennmembrane (37a) verschlossen ist, die mit einem ersten Druck (p1) eines Mediums beaufschlagbar ist, um den ersten Druck (p1) in den ersten Pfad (34a) einzuleiten, wobei der erste Pfad (34a) mit der Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllt ist und an einer der zweiten Öffnungen (36a) in der Druckkammer (32) mündet, so dass die durch den Absolutdruckmesswandler (70) ermittelte Absolutdruckgröße den ersten Druck (p1) repräsentiert und ferner der Relativdruckmesswandler auf einer ersten Messmembranseite (21a) der ersten Messmembran (21) mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagt ist, wobei eine zweite Messmembranseite (21b) der ersten Messmembran (21) über einen zweiten druckkommunizierenden Pfad (34b) mit einem Umgebungsdruck (p2) beaufschlagt ist, so dass die Verformung der ersten Messmembran die Relativdruckgröße zwischen dem ersten Druck (p1) und dem Umgebungsdruck (p2) repräsentiert; - eine Signalverarbeitungseinheit (80), die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen. Pressure sensor (1) for determining a relative pressure variable, comprising: - A relative pressure transducer (20) with a first measuring membrane (21) and a first circuit (22) for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane (21) into the relative pressure variable, - an absolute pressure transducer (70) for determining an absolute pressure variable, - A diaphragm seal (30) with a diaphragm seal body (31 a, 31 b, 31 c) in which there is a pressure chamber (32) filled with a transmission fluid (39), in which a filling body (33) is arranged with two recesses to create cavities between Walls of the pressure chamber (32) and the relative pressure transducer (20) and absolute pressure transducer (70) arranged in the recesses to be filled, a first pressure-communicating path (34a) between a first opening (35a) and a second opening (36a) through the pressure transmitter body ( 31), the first opening (35a) being closed by a separating membrane (37a) to which a first pressure (p1) of a medium can be applied in order to introduce the first pressure (p1) into the first path (34a), wherein the first path (34a) is filled with the transmission fluid (39) and opens at one of the second openings (36a) in the pressure chamber (32), so that the absolute pressure variable determined by the absolute pressure transducer (70) is the represents the first pressure (p1) and, furthermore, the relative pressure transducer is acted upon by the first pressure (p1) on a first measuring membrane side (21a) of the first measuring membrane (21), a second measuring membrane side (21b) of the first measuring membrane (21) communicating via a second pressure An ambient pressure (p2) is applied to the path (34b), so that the deformation of the first measuring membrane represents the relative pressure variable between the first pressure (p1) and the ambient pressure (p2); - A signal processing unit (80) which is set up to determine an undesired change in the ambient pressure on the basis of the absolute pressure variable and the relative pressure variable. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Umgebungsdrucks (p2) festzustellen, wenn gilt: | P 2 Prd Prd | > n L [ % ] , n N
Figure DE102019133816A1_0005
wobei Prd ein der Signalverarbeitungseinheit zugänglich gemachter, bspw. abgespeicherter, ortsüblicher Raumdruck ist und L[%] eine Änderung des ortsüblichen Luftdrucks über die Jahreszeiten, Wetterstand, und/oder Temperatur darstellt.
Pressure sensor after Claim 1 , wherein the signal processing unit is also set up to determine a change in the ambient pressure (p2) if the following applies: | P. 2 - Prd Prd | > n L. [ % ] , n N
Figure DE102019133816A1_0005
where Prd is a, for example, stored, customary room pressure made accessible to the signal processing unit and L [%] represents a change in the customary air pressure over the seasons, weather conditions and / or temperature.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Absolutdruckmesswandler eine zweite Messmembran (71) aufweist, der an einer ersten Membranseite ebenfalls der erste Druck (p1) zugeführt ist und der an einer zweiten Membranseite ein Vakuum anliegt, wobei der Absolutdruckmesswandler ferner eine zweite Schaltung (72) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der zweiten Messmembran (71) in eine der Signalverarbeitungseinheit (80) zugeführt Absolutdruckgröße aufweist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the absolute pressure transducer has a second measuring membrane (71) to which the first pressure (p1) is also supplied on a first membrane side and to which a vacuum is applied on a second membrane side, the absolute pressure transducer also having a second circuit ( 72) for converting a pressure-dependent deformation of the second measuring membrane (71) into an absolute pressure variable fed to the signal processing unit (80). Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Absolutdruckmesswandler und/oder der Relativdruckmesswandler auf Halbleiter-Chips, insbesondere Silizium-Chips ausgebildet ist bzw. sind.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the absolute pressure transducer and / or the relative pressure transducer is or are formed on semiconductor chips, in particular silicon chips. Drucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist.Pressure sensor according to the preceding claim, wherein the absolute pressure transducer is formed on a separate semiconductor chip, in particular a silicon chip, to the relative pressure transducer. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Absolutdruckmesswandler ein kapazitiver Absolutdruckmesswandler ist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the absolute pressure transducer is a capacitive absolute pressure transducer. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Absolutdruckmesswandler auf einer piezoelektrischen Schicht basiert.Pressure sensor according to one of the Claims 1 to 6th , whereby the absolute pressure transducer is based on a piezoelectric layer.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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